關于提高無線充電裝置傳輸距離的討論

韓佳蓉

【摘 要】在近場無線充電系統中，通過使用彎曲的諧振繼電器可以達到擴大傳輸距離的作用。近場無線充電設備基于近場電磁線圈耦合。系統可以在短距離范圍內傳遞能量，大部分應用器件都采用接觸式以保證能量傳遞的效率，而隨著各個領域的興起和發展，越來越多的無線充電系統對距離的擴大有著需求，通過研究無線充電系統可以發現，其傳輸距離取決于系統本身如耦合線圈及外部電路。在近期的學術研究中發現，使用平面諧振繼電器可以起到擴大傳輸距離的作用。這也解決了一些新領域對近場無線充電技術的需求，如在醫療領域中對微型胃鏡膠囊進行充電、新能源汽車的長途充電路段。文章討論的使用彎曲的諧振繼電器的概念最初來源于對線圈結構的改進思考，但存在的問題是對線圈彎曲度的選取，還需要通過進一步的實驗確定。

【關鍵詞】無線電能傳輸;諧振繼電器;彎曲線圈模型

【中圖分類號】TM724 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0120-02

近幾年，無線電能傳輸設備一直在現代電子產品中被廣泛應用，且在國防、醫療等重要領域有所涉獵，而傳輸系統的傳輸距離也是目前有待解決的重要問題之一。如今，無線充電裝置在外形上的突破已經得到了很多方面的發展，未來無線充電技術的發展趨勢主要是解決其能量傳遞效率不高、傳遞距離不能太遠等問題。此外，對于非輻射無線功率傳輸，由于輕微的錯位就會嚴重影響功率傳輸效率，因此嚴格要求發射和接收線圈之間的精確對準，導致電力只能在很短的范圍內傳輸。在某些情況下，這些缺點可能會限制非輻射無線功率傳輸在可植入設備上的應用。

1 無線電能傳輸基本原理

無線充電技術基于變壓器原理，原邊線圈是發射端，副邊線圈是接收端，如果接收端帶動的負載是一個充電電路，那么最近基本的無線充電功能就得以實現了。在工作過程中發射端需要知道接收端是否存在，何時給接收端供電、何時停止，所以在發射與接收端之間需要建立通信。這種通信可以通過負載調制技術實現，當接收端負載發生變化時，在均勻的時間間隔t內接收端波形周期性變化，發射端會檢測到這一波形，進行分析和反饋，從而得到數據。發射線圈與接收線圈的物理模型如圖1所示，能夠影響傳遞效率的物理量是磁感應強度B和電感L。

2 對增加無線傳輸距離的進一步探討

2.1 電路模型及系統分析

發射線圈連接著一個固定的頻率驅動裝置。設定發射端的頻率，在整個實驗過程中保證發射端頻率不變。在發射線圈與接收線圈中間的諧振繼電器由繼電器線圈和匹配的電容C1組成。接收線圈與一個電容C2并聯，輸入的交流電經過電橋得到整流，經過調整的直流電會流經一個可變的負載電阻R，負載上并聯電壓表測量電壓V，可計算出接收到的直流電功率，計算公式為V2/R。實驗過程中通過改變R的阻值可以計算出最大傳輸功率。

2.2 彎曲線圈模型

測試中使用符合Qi標準的線圈，線圈自身電感系數約11μH，實驗中可選用粗細為300 mm的線圈，保證線圈相對比較靈活，以便制造彎曲形變。在實驗開始前，需要先測量線圈的自感系數隨彎曲程度的變化函數，從而選取實驗中線圈的彎曲度。在做實驗的過程中，可選擇3組不同彎曲度的線圈，其中一組必須是所求最大自感系數下的線圈彎曲度。其他兩組的彎曲度有一組是0，另一組比已選定彎曲度大。

3個系統的發射線圈都是不彎曲的且都有鐵氧體的背板，鐵氧體的磁性能表現為在高頻時具有較高的磁導率。發射線圈和接收線圈之間的距離是d，中間線圈距離發射線圈和接收線圈的距離相等，都是d/2。3個系統中的線圈彎曲程度依次增加。

通過實驗室測試證明，線圈在有一定彎曲度的情況下相比沒有彎曲度的情況，無論是否有諧振繼電器，傳遞的效率和功率都有所提高。在同組內，當距離提高到20 mm時，線圈有彎曲度的組的效率和最大功率的衰減相對較少。所求最大自感系數下的線圈彎曲度組在有諧振繼電器作用下，是各組中能量傳輸效率最高且接收功率最大的，并且相比其他組有顯著的改觀。以上結論可以證明，使用彎曲的諧振繼電器可以有效地提高能量傳輸效率和最大接收能量，并且在傳輸距離問題上實現了很大的改觀。

3 結語

本文討論了使用彎曲的諧振繼電器增大無線電能傳遞距離的問題。首先建立了1個基礎測試平臺、2套彎曲程度不同的線圈系統。其次參考利用平面諧振繼電器解決傳輸距離問題的方法，設計了實驗及實驗裝置。其中，需要進行的關鍵步驟是最適電容值的試驗，并在實驗中保證電容值不變。最后設定線圈彎曲度，在不同彎曲度下進行實驗，并得出結果。該技術適用于很多設備，特別是對于工作過程中可調整的線圈。

參 考 文 獻

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[責任編輯：陳澤琦]